Nowe odkrycia naukowe stawiają RNA w centrum uwagiCzas czytania: 12 min

Evolution News

2021-01-08
Nowe odkrycia naukowe stawiają RNA w centrum uwagi<span class="wtr-time-wrap after-title">Czas czytania: <span class="wtr-time-number">12</span> min </span>

Oto garść znaczących, najnowszych odkryć naukowych dotyczących RNA (kwasu rybonukleinowego). RNA różni się od DNA tylko jednym szczegółem1. RNA zbudowany jest między innymi z rybozy – cukru z grupą hydroksylową – OH przy drugim węglu. W przypadku DNA miejsce tego cukru zajmuje inny – deoksyryboza, z pojedynczym atomem wodoru przy drugim węglu. Skutkiem tego są znaczące różnice zarówno w budowie cząsteczki RNA, jak i pełnionych przez nią funkcjach. W przeciwieństwie do DNA, jednoniciowa cząsteczka RNA jest mniej trwała. Komplementarną parę z adeniną (A) (zamiast tyminy − T − która posiada grupę metylową przy piątym węglu) tworzy uracyl (U) (z atomem wodoru przy piątym węglu).

Te niewielkie różnice sprawiają, że oba kwasy nukleinowe są doskonale przystosowane do pełnienia swoich funkcji w komórce. Cząsteczki RNA – szczególnie matrycowy (mRNA) oraz transportujący (tRNA) – były długo uważane jedynie za zwykłe szablony do przepisywania i tłumaczenia DNA. Okazuje się jednak, że dopiero w XXI wieku odkryliśmy wiele funkcji zależnych od plastyczności i charakteru „życia” RNA. W słowniku epigenetyki pojawiły się również takie terminy, jak: długie niekodujące sekwencje RNA (lncRNA- longnoncoding RNA), mikro-RNA (miRNA), dietetyczne RNA (dietary RNA) oraz zewnątrzkomórkowe RNA (exRNA – extracellular RNA).

 

Tysiące projektów

RNA może ulegać skomplikowanemu fałdowaniu. Naukowcy z Ruhr-Universität Bochum2 badają tysiące cząsteczek RNA w komórkach, aby znaleźć ich nowe struktury. Zakładają, że sposób pofałdowania RNA w konsekwencji niesie ze sobą różne funkcje – tak jak w przypadku białek. W myśl zasady „brak struktury – brak funkcji” naukowcy opracowali nową technikę sekwencjonowania z użyciem jonów ołowiu, by opisać struktury RNA:

We wszystkich żyjących komórkach informacja genetyczna jest upakowana w dwuniciowej cząsteczce DNA i przepisywana (transkrypcja) na jednoniciowe RNA, wskutek czego staje się ono planem budowy białek. RNA nie jest jednak tylko liniową kopią informacji genetycznej – przyjmuje również postać złożonych struktur. Kombinacja jednoniciowych i częściowo pofałdowanych regionów dwuniciowych cząsteczki RNA ma kluczowe znaczenie dla jej funkcji i stabilności. Jak powiedział Franz Narberhaus: „jeśli chcemy dowiedzieć się czegoś o RNA, musimy również zrozumieć strukturę tych cząsteczek3.

Jedną z wymienionych przez badaczy funkcji RNA jest pomiar temperatury! Niektóre cząsteczki RNA zmieniają swoją strukturę pod wpływem jej zmiany. W publikacji posłużono się przykładem patogenu wywołującego biegunkę – Yersinia pseudotuberculosis. Termometr RNA spełnia pożyteczną funkcję dla pasożyta. Pozwala mu rozpoznać, czy znajduje się wewnątrz żywiciela – swojej ofiary. „Korzystając z metody sekwencjonowania za pomocą jonów ołowiu, zespół naukowców nie tylko zidentyfikował znane już termometry RNA, ale odkrył także kilka nowych”. Mamy nadzieję, że znajdziemy również inne zastosowania termometrów RNA.

RNA w monitorowaniu naczyń krwionośnych

Badania prowadzone na Uniwersytecie Ludwika i Maksymiliana w Monachium4 świadczą o tym, że mikro-RNA mogą znajdować swoje zastosowanie w profilaktyce układu krążenia. Odkryto „nieznaną dotąd molekularną funkcję specyficznego mikro-RNA, która zachowuje integralność śródbłonka i zmniejsza ryzyko miażdżycy tętnic”. Szczególnie jeden rodzaj mikro-RNA (miRNA) zmienia nasze postrzeganie tej grupy cząsteczek – miRNA niesie wiadomość nie na zewnątrz jądra komórkowego, lecz do jego wnętrza.

Krótkie cząsteczki RNA, znane jako mikro-RNA (miRNA) pełnią istotną funkcję w regulacji ekspresji genów. Anomalie w ekspresji i funkcji miRNA zostały włączone do patologicznych procesów, takich jak rozwój chorób przewlekłych (na przykład miażdżycy). Regulacja zachodząca dzięki miRNA zwykle ma miejsce w cytoplazmie, gdzie reagują z docelowymi transkryptami RNA, celem zahamowania biosyntezy białka lub aby zainicjować jego rozpad. Zespół badawczy pracujący pod opieką profesora Christiana Webera w Instytucie Profilaktyki Sercowo-Naczyniowej (IPEK) w Centrum Medycznym LMU opisał jednak wyjątkowe działanie tej cząsteczki. Badając miRNA o nazwie miR-126-5p, zespół Webera wykazał, że cząsteczka ta może nieoczekiwanie zostać przetransportowana do jądra komórkowego i w prosty sposób zahamować aktywność enzymu o nazwie kaspaza-3. Jest on odpowiedzialny za proces zaprogramowanej śmierci komórki. W ten sposób cząsteczka chroni integralność naczyń i zmniejsza zasięg zmian miażdżycowych5.

Komórki wyściełające naczynia krwionośne często podlegają naprężeniom. Zwykle sygnały stresu inicjowałyby proces zaprogramowanej śmierci komórki (apoptozy). Cząsteczka tego mikro-RNA wnika do jądra i hamuje działanie jednego białka – kaspazy-3, niosąc tym samym wiadomość: „Wszystko w porządku; pozwól komórce żyć”. Ta nieznana dotąd funkcja miR-126-5p „reprezentuje nową zasadę regulacji biologicznej, która uzupełnia naszą wiedzę o znanych już wcześniej mechanizmach” – powiedział Weber.

 

RNA bez granic

Każdy z nas słyszał o „lekarzach bez granic”, którzy wyjeżdżają z dala od swoich domów, by pomagać pacjentom w krajach ogarniętych wojną. Także i cząsteczki RNA mogą być „bez granic” – opuszczają one swoje komórki, by zaopatrzyć tkanki całego organizmu w niezbędne składniki. Koncept „zewnątrzkomórkowego RNA” (exRNA) jest tak fascynujący, że zasłużył nawet na osobny numer w czasopiśmie „Nature”. Herb Brody pisze:

Cząsteczka, znana najlepiej ze swojej roli w procesie tłumaczenia kodu genetycznego na instrukcje służące do biosyntezy białek, znajduje nowe zastosowanie w medycynie. Okazuje się, że RNA – niegdyś uważane za cząsteczkę występującą jedynie wewnątrz komórek – przemieszcza się naczyniami krwionośnymi do wszystkich tkanek ciała w postaci małych woreczków lipidowych zwanych pęcherzykami zewnątrzkomórkowymi. Badanie nad zewnątrzkomórkowym RNA (exRNA) doprowadziło w biologii do cichej rewolucji. Naukowcy starają się zrozumieć, dlaczego komórki uwalniają RNA i w jaki sposób można je wykorzystać w stawianiu diagnoz i leczeniu chorób6.

Przykładowo, dziesięć lat temu wykryto cząsteczki RNA w mleku matki. Tien Nguyen twierdzi w „Nature”: „naukowcy wciąż próbują dowiedzieć się, dlaczego tam są i jak wpływają na zdrowie”7. Cząsteczki mikro-RNA (miRNA), „niegdyś pomijane, jakoby były śmieciami genetycznymi”, udowadniają swoją wartość na wiele sposobów. „Przyłączając się do pasujących nici matrycowego RNA, który bierze udział w syntezie białek, miRNA może skutecznie wyłączać i włączać mRNA oraz modyfikować wytwarzane białka” – dodaje Nguyen. W tym przypadku któryś z naukowców zaczął zadawać właściwe pytania:

Bo Lönnerdal [biochemik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis] przez dziesięciolecia badał bioaktywne składniki wchodzące w skład mleka matki. Kiedy Lönnerdal dowiedział się, że naukowcy znaleźli tam miRNA, zaczął zastanawiać się, co robią tam te cząsteczki. Już wtedy myślał, że musi być jakiś powód, dla którego te pozornie przypadkowe fragmenty RNA są obecne w mleku matki8.

Naukowiec zastanawiał się, czy miRNA są jednym ze składników odżywczych, czy też pełnią funkcję regulującą. Rozwiązanie tego problemu będzie bardzo żmudne, ponieważ w mleku matki odkryto 1400 rodzajów miRNA. Jak na razie wydaje się, że pakiety informacji, którymi są miRNA, regulują ekspresję genów u dziecka, celem dostrojenia odpowiedzi immunologicznej lub przyspieszania tempa rozwoju wcześniaków. Niektóre miRNA mogą nawet chronić niemowlęta przed nowotworem. Jest to przełomowa dziedzina, którą zajmują się naukowcy na całym świecie. Zrozumienie roli miRNA zawartego w mleku matki może prowadzić do lepszego rozwoju dziecka.

 

RNA dobre dla niemowląt – i nie tylko…

Dorośli również odniosą korzyści ze zrozumienia exRNA. W innym artykule w specjalnym wydaniu „Nature” Kenneth Witwer deklaruje, że „dietetyczne RNA jest gotowe do zbadania”, ponieważ „RNA w żywności może mieć niebagatelny wpływ na ludzki układ pokarmowy i ogólne zdrowie”9. Tą burzą powstałą w następstwie podjęcia wstępnych badań nad exRNA zajmuje się Kristina Campbell. W swoim artykule w „Nature” pyta: „Czy dostarczane z pożywieniem cząsteczki mikroRNA mogą wpływać na ekspresję genów?”10. Innymi słowy: czy materiał genetyczny może być dostarczany z pożywieniem? Aby trafnie ocenić, jakie role odgrywa dietetyczne RNA, jest jeszcze za wcześnie. Cóż za wspaniały pomysł – pożywienie może nie tylko dostarczać składników odżywczych, ale także informacji genetycznej o tym, jak tych składników używać!

Ponieważ wiemy obecnie, że zewnątrzkomórkowe RNA przemieszcza się po całym organizmie, w przyszłości mogą pojawić się metody, które będą w stanie wykorzystać te cząsteczki do stawiania diagnoz w przypadku chorób. W kolejnym artykule w „Nature” Elie Golgin analizuje perspektywy wykorzystania exRNA jako markerów nowotworowych, do diagnozowania chorób serca i innych schorzeń.

Tkanki organizmu rutynowo porozumiewają się ze sobą drogą komunikatów RNA, które przesyłane są tam i z powrotem między komórkami. Dlatego dla naukowców oczywisty jest fakt, że podsłuchując te zewnątrzkomórkowe komunikaty przenoszone we krwi, ślinie, moczu i innych płynach, będą w stanie ocenić stan zdrowia i  zdiagnozować choroby11.

Dalsza część artykułu obnaża tę naiwność, opisując, jak wielkie komplikacje wiążą się z ową nadzieją. Niemniej jednak „w tej dziedzinie obserwuje się ogromny wzrost wiedzy – twierdzi Golgin – skłania to obecnie firmy do komercjalizacji wielu z tych podejść”. Elizabeth Svoboda omawia niektóre prace w swojej publikacji w „Nature”: Research Round-up: xtracellular RNA [Zewnątrzkomórkowy RNA: podsumowanie badań]12. Dziedzina ta jest oczywiście bardzo dynamiczna. Naukowcy mogą znaleźć nowe sposoby leczenia chorób serca, zaburzeń neurodegeneracyjnych, nowotworów, regeneracji nerek, a nawet stanów lękowych, takich jak zespół stresu pourazowego (PTSD). Zbliżają się badania kliniczne. Wkrótce do zestawu narzędzi lekarza może dołączyć zupełnie nowy zestaw terapii – wszystkie oparte na zsekwencjonowanych wiadomościach zawartych w RNA.

 

Życie to przekazywanie wiadomości

Jak podaje Roxanne Khamsi w swoim artykule w czasopiśmie „Nature”, nawet rośliny używają RNA, by przekazywać sobie wiadomości. Jeśli naukowcy opanują wiedzę, dzięki której można by kontrolować egzosomy za pomocą wbudowanych fragmentów informacji genetycznej, mogłoby to skutkować wdrożeniem przez rolników nowych, zawierających cząsteczki RNA, oprysków na uprawy. A jeśli rośliny i ludzie wykorzystują RNA w różnoraki sposób, staje się jasne, że wszystkie organizmy na naszej planecie również polegają na tych cząsteczkach genetycznych w wielu aspektach13.

Pojawia się nowa przestrzeń do badań związanych z teorią inteligentnego projektu. Rewolucja w badaniach nad cząsteczkami RNA jest porównywalna z poprzednimi rewolucjami, które ujawniły funkcjonalną rolę DNA i białek. Warto zauważyć, że w artykułach nie pojawiły się żadne wzmianki o ewolucji, z wyjątkiem jednej. Sprowadzała się ona do surowych spekulacji:

[Janos] Zempleni mówi, że „miRNA i egzosomy są znacznie bardziej biodostępne w mleku niż w roślinach”. Spekuluje on, że może to mieć podłoże ewolucyjne. Twierdzi, że: „natura mogła uczynić je biodostępnymi ze względu na odżywianie niemowląt”14.

To nie jest nawet stwierdzenie o charakterze darwinowskim. Zempleni właśnie potraktował „naturę” jako dalekowzroczną boginię, która zainstalowała nam miRNA w określonym celu. W tym samym artykule autorka przytacza inną wzmiankę na temat ewolucji. Chodzi o wypowiedź Kennetha Witwera z Johns Hopkins School of Medicine, który spekulował na temat nieewolucji:

Pamiętam, jak myślałem: „może to jakiś ewolucyjny sposób na zachowanie instrukcji, dzięki której możemy wydobyć z naszego pożywienia coś więcej niż tylko odżywianie”15.

Ewolucjoniści zawiedli już w tej rozwijającej się dziedzinie nauki, myśląc o RNA jako „genetycznych śmieciach”. Od tamtej pory, po tylu latach i tylu odkryciach, jedyne, co mogą zrobić, to spekulować, co „może mieć podłoże ewolucyjne”. To świetny czas dla zwolenników teorii inteligentnego projektu, aby odczytać wiadomości zawarte w RNA i dowiedzieć się, co ze sobą niosą.

Evolution News

Oryginał: In New Research, RNA Takes Center Stage, „Evolution News & Science Today” 2020, June 30 [dostęp 8 I 2021].

Przekład z języka angielskiego: Anna Nehring-Rupińska

Źródło zdjęcia: Wikipedia

Ostatnia aktualizacja strony: 8.1.2021

 

Przypisy

  1. Autor odnosi się tu do budowy cukru, który wchodzi w skład danej cząsteczki – ryboza i deoksyryboza różnią się obecnością jednego atomu tlenu. Z innych różnic między DNA a RNA można wymienić np. liczbę nici, z których są zbudowane (DNA jest podwójną helisą, podczas gdy RNA najczęściej ma postać pojedynczej nici) oraz zasady azotowe, które łączą się wiązaniem N-glikozydowym ze wspomnianą cząsteczką cukru (deoksyryboza łączy się z adeniną, guaniną, cytozyną i tyminą; ryboza zamiast z tyminą wiąże się z uracylem). W konsekwencji pociąga to za sobą szereg różnic w pełnionych przez obie cząsteczki funkcjach. Por. J.M. Berg et al., Biochemistry, New York 2015 (przyp. tłum).
  2. Ch. Twittenhoff et al., Lead-seq: Transcriptome-wide Structure Probing In Vivo Using Lead(II) Ions, „Nucleic Acids Research” 2020, Vol. 48, No. 12, s. e71.
  3. Researchers Use Lead Sequencing to Determine the Structure of RNAs, „AZO Life Sciences” 2020, June 18 [dostęp 31 VIII 2020]. Por. Twittenhoff, Lead-seq, s. e71 [wyróżnienie dodane].
  4. Por. D. Santovito et al. Noncanonical Inhibition of Caspase-3 by a Nuclear microRNA Confers Endothelial Protection by Autophagy in Atherosclerosis, „Science Translational Medicine” 2020, Vol. 12, No. 546, s. 1‒15.
  5. How a microRNA Protects Vascular Integrity, Ludwig-Maximilians-Universität München News Archive 2020, June 3 [dostęp 31 VIII 2020]. Por. Santovito, Noncanonical Inhibition of Caspase-3, s. 1‒15 [wyróżnienie dodane].
  6. H. Brody, Extracellular RNA, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582, s. 1 [wyróżnienie dodane].
  7. T. Nguyen, Unravelling the Mysteries of microRNA in Breast Milk, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582, s. 12‒13.
  8. Nguyen, Unravelling the Mysteries of microRNA in Breast Milk, s. 12 [wyróżnienie dodane].
  9. K. Witwer, Dietary RNA is Ripe for Investigation, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582, s. 9.
  10. K. Campbell, The Doubts about Dietary RNA, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582, s. 10‒11.
  11. E. Dolgin, Could Tracking RNA in Body Fluids Reveal Disease?, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, June 17 [dostęp 31 VIII 2020]. Patrz też E. Dolgin, Putting Extracellular RNA to the Diagnostic Test, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582 [2‒4] [wyróżnienie dodane].
  12. Por. E. Svoboda, Research Round-up: Extracellular RNA, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582, s. 20‒21.
  13. Por. R. Khamsi, Planting the Seed of RNA Crosstalk, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582, s. 19.
  14. Campbell, The Doubts about Dietary RNA, s. 11 [wyróżnienie dodane].
  15. Campbell, The Doubts about Dietary RNA, s. 10 [wyróżnienie dodane].

Literatura:

  1. Brody H., Extracellular RNA, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582, s. 1.
  2. Campbell K., The Doubts about Dietary RNA, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, 582, s. 10‒11.
  3. Dolgin E., Could Tracking RNA in Body Fluids Reveal Disease?, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, June 17 [dostęp 31 VIII 2020].
  4. Dolgin E., Putting Extracellular RNA to the Diagnostic Test, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, 582, s. 2‒4.
  5. How a microRNA Protects Vascular Integrity, Ludwig-Maximilians-Universität München News Archive 2020, June 3 [dostęp 31 VIII 2020].
  6. Khamsi R., Planting the Seed of RNA Crosstalk, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582 [19].
  7. Nguyen T., Unravelling the Mysteries of microRNA in Breast Milk, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, 582, s. 12‒13.
  8. Researchers Use Lead Sequencing to Determine the Structure of RNAs, „AZO Life Sciences” 2020, June 18 [dostęp 31 VIII 2020].
  9. Santovito D. et al., Noncanonical Inhibition of Caspase-3 by a Nuclear microRNA Confers Endothelial Protection by Autophagy in Atherosclerosis, „Science Translational Medicine” 2020, Vol. 12, 546, s. 1‒15.
  10. Svoboda E., Research Round-up, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, Vol. 582, s. 20‒
  11. Twittenhoff Ch. et al., Lead-seq: Transcriptome-wide Structure Probing In Vivo Using Lead(II) Ions, „Nucleic Acids Research” 2020, Vol. 48, No. 12, s.
  12. Witwer K., Dietary RNA is Ripe for Investigation, „Nature Outlook: Extracellular RNA” 2020, 582, s. 9.

Dodaj komentarz



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi